DOI: 10.4150/KPMI.2011.18.3.221
수분사법으로 제조된 순철분말의 성형성에 미치는 분말크기의 영향
이동준·윤은유·김하늘a·강희수a·이언식a·김형섭
*
포항공과대학교 신소재공학과
,
a포항산업과학원구원신금속연구본부Effect of Particle Size on Compactibility of Water-atomized Pure Iron Powder
Dong Jun Lee, Eun Yoo Yoon, Ha Neul Kima, Hee-Soo Kanga, Eon Sik Leea
,
and Hyoung Seop Kim*
Department of Materials Science and Engineering, POSTECH (Pohang University of Science and Technology), Pohang 790-784, Korea
a
New Materials Research Department, RIST, Pohang 790-784, Korea (Received February 10, 2011; Revised March 4, 2011; Accepted April 19, 2011)
Abstract In the current study, the effects of particle size on compaction behavior of water-atomized pure iron powders are investigated. The iron powders are assorted into three groups depending on the particle size; 20-45
µ m, 75-106 µ m, and 150-180 µ m for the compaction experiments. The powder compaction procedures are pro- cessed with pressure of 200, 400, 600, and 800 MPa in a cylindrical die. After the compaction stage, the group having 150-180 µ m of particle size distribution shows the best densification behavior and reaches the highest green density. The reason for these results can be explained by the largest average grain size in the largest particle group, due to the low plastic deformation resistance in large grain sized materials.
Keywords : Compactibility, Compressibility, Water atomization, Pure iron powder, Particle size
1. 서 론
분말야금법으로 금속 제품을 생산하는 방법은오 래된 기술이면서 동시에 현대 금속가공 기술에서도 각광을 받는 분야이다
.
또한 경제성과 재료 절감의 효과를 얻을수 있고 소성가공의 성형을통한 우수 한생산속도와 제품성질을얻을수있는장점이있 어,
고강도 제품제조를위한공정으로서 많은각광을받고있다
[1].
또한자동차,
산업기계및전자산업의발달로분말소결품의수요량이급증하였고
,
주요 원료인철분또한그수요량이많은실정이다.
압분성형은 분말에 치밀화와 형상을 부여하는 매 우 일반적인 방법이다
.
분말 압축성(compressibility)
혹은 성형성
(compactibility)
은 어떤 특정 하중 하에서 분말이 치밀화 되는 정도를 나타내는 척도이다
.
분말성형성에영향을 미치는요인으로는분말의형 상
,
크기,
분포,
응집력,
화학적 조성,
분말간의 마찰력
,
분말과금형간의 마찰력 등이 있다[2-3].
이러한요소들이분말의 성형시미치는 영향에대한연구는 많이이루어졌다
[4-9].
특히이번연구에서다루고자 하는 수분사법으로 제조된 철분말에서 분말의 크기 가 미치는 영향에 대해서도 연구가 이루어 졌으나,
크기가
63~104
µm
인입자들을 가지고 성형성을평가한 자료와 같이 상대적크기 비가 적은입자들끼 리의 비교가 대부분이다
[10].
현재 철분 제조법으로 널리사용되고있는수분사방법으로제조된철분입자의 크기는수 µ
m
에서250
µm
까지 크기비가다양하기 때문에상대적 크기의차이가 큰입자들끼리 의 비교가필요하다
.
본연구에서는수분사법으로제조된
Höganäs
사의*Corresponding Author : [Tel : +82-54-279-2150; E-mail : [email protected]]
ASC 100.29
순철분을 입자의 크기를20~45
µm, 75~106
µm, 150~180
µm
로 나누어 각기 다른 압력(200 MPa, 400 MPa, 600 MPa, 800 MPa)
으로 압축 을 하여,
분말 입자의크기에따른 성형성을평가하 고자한다.
2. 실험방법
상업적으로 유통되고 있는
,
수분사법으로 제조된Höganäs
사의ASC 100.29
순철분을 체질(sieving)
을 하여 나온입자들가운데 입자 크기
20~45
µm,
75~106
µm, 150~180
µm
를 선택하여 각각의 분말 의 형상과크기를 주사전자현미경(SEM: 5410 JSM)
을 이용하여 관찰하였다
.
또한 각 분말들의 결정립크기를측정하기위해분말들을
cold mounting
을하여 고정시키고
,
연마지와0.25
µm
다이아몬드 분말 을 이용해 표면을 매끄럽게 처리하여,
에탄올에2
vol%
의 질산을 첨가한 용액에10
초 동안 에칭하여광학현미경을이용하였다
.
또한순철분임을확인하기 위하여화학조성의 정량적분석이 이루어졌다.
성형 성 평가시 금형의 마모를 방지하기위해 국제표준화기구
ISO 3927
에 따라각각의 분말에 고체 윤활제인 아연스테아란산염
(Zinc-stearate) 0.6 wt%
를 섞어 한 시간동안볼밀링하였다.
성형성평가를 위해준비한 금형은그림
1
과같이지름
10 mm,
높이50 mm
의 크기이다.
여기에고체윤활제가섞인철분말
7 g
을넣어각기다른압력(200 MPa, 400 MPa, 600 MPa, 800 MPa)
에서의 성형성을 평가하였다
.
압축속도는0.1 mm/s
로 일정하 게하여압축을하였고,
금형으로부터성형체를빼낼때도똑같이
0.1 mm/s
의속도로진행되었다.
이렇게제작된 성형체는다시무게와높이를 측정하여성형 밀도
(green density)
를 계산하였다.
다이 성형시분 말과 금형 표면간의 마찰로인한 성형체밀도의불 균일성을확인하기위해성형체의옆면을 같은방법 으로 매끄럽게 처리하여 광학현미경을 이용하여 성 형체의위,
중간,
아래부분을관찰하고,
그사진에서 기공의면적을측정하여상대적인밀도를계산하였다.
3. 결과 및 고찰
수분사법으로제조된분말은 그림
2
의주사전자현 미경사진과같이 불규칙적인형상을하고 있다.
체 질을하여 구분된분말들의결정립크기를비교해보 면분말의크기가클수록평균결정립크기가크게나 타난다(
그림3).
크기가150~180
µm
를갖는분말의 경우 결정립크기가 수 µm
에서수십 µm
의 크기를 가지는등다양한 분포를보였고,
평균25
µm
의정 도 나타났다(
그림3(c)).
반면 크기가20~45
µm
인 분말의 경우는아주작은결정립크기들과단결정처 럼보이는(
단면이기때문에확신할 수없다.)
입자들 을 볼 수 있으나기본적으로분말의크기가45
µm
을 넘어갈수 없기 때문에
,
평균12
µm
정도의 결정립크기를나타냈다
(
그림3(a)).
따라서평균적으로결정립 크기는입자의 크기가큰분말일수록커진다 는 것을알수 있다
.
또한이 분말의화학조성은표1
에서와같이 불순물의 양이 아주 적은 순철분임을 확인할수있다.
압력별로 성형성을 시험한결과는 그림
4
의 그래 프와같이 나타났다.
압력이0
인 상태에서의밀도는 분말의두드림밀도(tap density)
와 같다.
크기가작은(20-45
µm)
분말의경우가보다큰분말들두드림밀도가 보다 크게나오는 이유는상대적인 크기의차
이에서비롯된다
. 150~180
µm
의 크기분포를 갖는분말은 크기비가 약
1.2
배정도밖에 차이가 나지않기 때문에 약
3.1 g/cm
2의 밀도를 나타내고,
20~45
µm
의 크기분포를 갖은 분말의경우는가장큰 분말과 가장 작은 분말의 크기의 차이가 두 배 이상 나는 다양한 크기의 분포를 가지므로 약
3.4
g/cm
2의 높은 밀도 값을 보인다.
하지만 압력이 가Fig. 1. Schematic of single action die compaction for iron
powders.
Fig. 2. Scanning electron microscopes of Fe powders produced by water atomization with powder sizes of (a) 20~32 µ m, (b) 32~45 µ m, (c) 75~106 µ m, and (d) 150~180 µ m.
Fig. 3. Optical microscope images of iron powders showing grain boundaries with powder sizes of (a) 20~45 µ m, (b) 75~106
µ m, and (c) 150~180 µ m.
해지면 크기가큰 분말들이 더욱 좋은성형성을 보 이는데 이는 분말 자체의 강도의 영향을 받는다고 할 수있다
.
압력이가해지면초기단계에서는 분말 들이조밀해 지는방향으로치밀화가일어나기때문 에 다양한크기분포를 이루는분말들이좋은밀도값 을 보이지만,
더욱 압력이 가해지면 입자들 각각이 변형이일어나면서압축이이루어진다.
여기에서입 자들 각각의변형을 결정짓는 것이분말 자체의변 형저항이라고할 수있다.
앞에서언급한것과 같이 입자의 크기가큰 분말들이 더욱 큰 결정립크기를 가졌다.
결정립크기가큰 분말들이더욱높은 강도 를 가지는것은우리가잘알고있는항복강도와결 정립사이의 관계를 나타낸Hall-Petch
식에서 예측가능하다
[11-12].
따라서 그림4
에서 보여지는 값들처럼 분말 입자의크기가클수록 성형성이 더 좋게 나오는 것이 충분히 타당하다고 볼 수 있다
.
또한여기서 흥미로운 점은
800 MPa
에서는 입자 크기가150~180
µm
인 분말들이혼합된분말들보다도 높은성형밀도값을나타내는데이또한높은압력에서아 주미세한분말들의변형보다크기가큰분말들이더 욱변형이쉽다는것을보여주는결과라할수있다
.
일축성형시압력이가해지는윗부분과아랫부분의 성형밀도는일반적으로다르다고알려져있다
[13].
이 번 실험에서도이것을 확인하기위해가장성형성이잘 나온
150~180
µm
의 분말을800 MPa
로 압축한 분말의 옆 부분의사진을확인한 결과윗부분의 기 공이가장 적고,
아랫부분에서 많은기공이관찰되었다
(
그림5).
이 사진을 바탕으로 기공률을 측정하여 상대밀도를계산한결과 윗부분은
0.95,
중간부분은
0.9,
아랫부분은0.84
로,
실제 이 시편의 상대밀도인
0.92
와비교해봤을때의미있는값이라할수 있겠다
.
4. 결 론
본 연구에서는 수분사법으로 제조된
Höganäs
사의
ASC 100.29
순철분을 입자의 크기를20~45
µ
m, 75~106
µm, 150~180
µm
로 나누어 각기 다른 압력 압력(200 MPa, 400 MPa, 600 MPa, 800 MPa)
으로압축을 하여
,
분말입자의크기에따른성형성을 평가하였다.
1)
수분사로제조된분말은불균일한 모양을가지며
,
입자의 크기가20~45
µm
인 분말보다150-180
µ
m
의크기를갖는분말이평균결정립크기가더욱 크다는것을확인할수 있었다.
2)
분말의입도분포가크면초기의두드림밀도(tap
density)
가크지만압력을가했을시나타나는 성형밀도는분말자체의강도의영향을받으므로큰결정립
크기를가지는
150~180
µm
의분말들이가장좋은성형성을나타내었다
.
심지어높은압력(800 MPa)
에서는Fig. 4. Compaction curves, showing green density of the compacts vs. applied compaction pressure.
Fig. 5. Relative density and porosity distributions and microstructures at the top, middle, and bottom regions of the compact.
Table 1. Chemical composition of pure iron powders made by Höganäs
Si P Cr Mn Ni Cu Mo S N C O
wt% 0.009 0.0055 0.035 0.1 0.029 0.023 0.014 0.0065 0.0097 0.001 0.094
혼합된 분말보다도 더욱 좋은 성형성이 나타났다.
3) 다이성형시 나타나는 성형밀도는 압력이 가해지 는 윗부분이 아랫부분보다 더욱 높은 값을 나타나는 데 이는 입자간의 마찰력 등의 영향으로 인한 불균 일 분포라 할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 포스코의 지원하에 수행되었습니다.
